第-1-章-计算机系统概论课件

第1章计算机系统概论10/8/20231

©第9版2013.09顾一禾第1章计算机系统概论10/8/20231©第9版本章学习内容计算机的发展历史计算机系统的硬件组成计算机的软件系统计算机系统的组织结构计算机的特点和性能指标计算机的分类与应用10/8/20232本章学习内容计算机的发展历史10/8/202321.1计算机的发展历史

1.1.1计算机硬件的发展通常将计算机的发展按“代”划分为五个发展阶段。

1.电子管时代（20世纪40年代中期∼50年代中期）2.晶体管时代（20世纪50年代末期∼60年代中期）3.中、小规模集成电路时代（20世纪60年代中期∼70年代中期）4.超大规模集成电路时代（20世纪70年代中期∼90年代初期）5.超级规模集成电路时代（20世纪90年代初期∼目前）10/8/202331.1计算机的发展历史1.1.1计算机硬件的发展1电子管时代（1946～1959）运算速度：5千～4万（次/秒）在电子管时代，计算机以电子管作为基本逻辑单元，主存储器采用汞延迟线、磁鼓等材料，数据用定点表示。10/8/20234电子管时代（1946～1959）在电子管时代，计算机以电子管USAENIAC10/8/20235USAENIAC10/8/20235晶体管时代（1957～1964）运算速度：几十万～百万（次/秒）10/8/20236晶体管时代（1957～1964）10/8/20236晶体管时代的计算机主要以晶体管代替电子管作为基本逻辑元件，主存储器由磁芯构成，引入了浮点运算硬件加强科学计算能力。10/8/20237晶体管时代的计算机主要以晶体管代替电子管作为基本逻辑元件，主第一台小型计算机PDP-8

10/8/20238第一台小型计算机PDP-810/8/20238中小规模集成电路时代（1965～1975）

运算速度：百万～几百万（次/秒）10/8/20239中小规模集成电路时代（1965～1975）

运算速度：百万～在中小规模集成电路（MSI、SSI）时代，集成电路器件成为了计算机的主要逻辑元件，由半导体存储器替代磁芯存储器作为主存储器。此阶段采用多处理器并行结构的大型、巨型机和物美价廉的小型机得到快速发展。10/8/202310在中小规模集成电路（MSI、SSI）时代，集成电路器件成为了采用了Intel8080的个人电脑Altair880010/8/202311采用了Intel8080的个人电脑Altair880010/超大规模集成电路时代（1975～1990）运算速度：几百万～几千万亿（次/秒）10/8/202312超大规模集成电路时代（1975～1990）10/8/2023这一阶段集成电路的集成度进一步提高，超规模、大规模电路（VLSI、LSI）被广泛应用于计算机。采用并行技术、多机系统和分布式计算技术、RISC指令集等极大地提高了计算机系统的性能。此时按照计算机性能和规模，划分出了巨型机、大型机、小型机、微型机和便携机等不同的类型。10/8/202313这一阶段集成电路的集成度进一步提高，超规模、大规模电路（VL超级规模集成电路时代（1990～）

运算速度：几千万亿～几万万亿（次/秒）采用超大、甚大规模集成电路（ULSI，ELSI）

10/8/202314超级规模集成电路时代（1990～）

运算速度：几千万亿～2013全球超级计算机500强

/世界超级计算机TOP500组织于北京时间2013年6月17日下午，在德国莱比锡举行的“2013国际超级计算大会”上，正式发布第41届世界超级计算机500强排名。中国国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度拔得头筹，成为全球最快的超级计算机。10/8/2023152013全球超级计算机500强

http://www.top天河二号超级计算机10/8/202316天河二号超级计算机10/8/202316天河二号技术参数运算速率：54.9PFLOPS（理论峰值）

33.86PFLOPS（实际峰值）运算节点：16000个每节点配备两颗XeonE512核心的中央处理器、三个XeonPhi57核心的协处理器。计算核心总数3120000个。

内存：总计1.408PB（约1400万亿字节）外存：12.4PB的硬盘阵列10/8/202317天河二号技术参数运算速率：54.9PFLOPS（理论峰值）

天河二号的能力天河二号运算1小时相当于13亿人同时用计算器计算1000年。天河二号的总存储容量相当于可存储每册10万字的图书600亿册。一个生动的例子是电影《阿凡达》的动漫渲染。当年《阿凡达》的动漫渲染制作动用了众多超级计算机资源、耗时一年多才完成，而如果采用现在的天河二号，1个月即可完成。10/8/202318天河二号的能力天河二号运算1小时相当于13亿人同时用计算器计“天河二号”将于今年下半年安装应用于广州超级计算机中心。“天河二号”已应用于生物医药、新材料、工程设计与仿真分析、天气预报、气候模拟与海洋环境研究、数字媒体和动漫设计等多个领域，开始为多家用户单位提供超级计算服务。

10/8/202319“天河二号”将于今年下半年安装应用于广州超级计算机中心。10第二名：泰坦（Titan）Titan位于美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室。Titan的运行速度为17.59千万亿次/秒。使用560640个AMD皓龙处理器核心和261632个英伟达K20x加速器。Titan是最节电的超级计算机，耗电8.21兆瓦，性能为2143Mflops/W。Titan是2012年11月的超算冠军。10/8/202320第二名：泰坦（Titan）Titan位于美国能源部(DOE)泰坦（Titan）10/8/202321泰坦（Titan）10/8/202321第三名：红杉(Sequoia)安装在美国能源部所属的劳伦斯利福摩尔国家实验室。Sequoia的峰值运算速度高达每秒20132万亿次，其持续运算测试达到每秒16.324petaflops，即每秒16324万亿次运算。Sequoia使用了1572864颗核心。耗电为7.84兆瓦。“红杉”可用于进行模拟核试验以及延长老旧核武器的寿命，避免进行地下核试验。10/8/202322第三名：红杉(Sequoia)安装在美国能源部所属的劳伦斯利红杉(Sequoia)10/8/202323红杉(Sequoia)10/8/202323第四名：京（K）京（K）安装在日本神户化学研究所高级计算科学研究院(AICS)。基准测试速度为10.51Pflop/每秒，使用了705024颗SPARC64处理核心，运算速度为10.51千万亿次/秒。

10/8/202324第四名：京（K）京（K）安装在日本神户化学研究所高级计算科学京（K）10/8/202325京（K）10/8/202325第十名：天河-1A天河-1A系统安装于中国国家超级计算天津中心。该系统的运算速度达到2.57petaflop，即每秒可进行2.5千万亿次运算，拥有186368个至强处理器核心。2009年由国防科技大学研制开发的天河一号(TH-1)是我国自主研制的第一台计算机能力达到到千万亿次的超级计算机。在2009年11月世界超级计算机TOP500排名中，位列亚洲第一、世界第五。天河-1A于2010年8月在在TH-1的基础上升级完成。在2010年11月世界超级计算机TOP500排名中位列世界第一，在2011年6月的TOP500排名中位列世界第二。10/8/202326第十名：天河-1A天河-1A系统安装于中国国家超级计算天津中在本届500强榜单中美国部署了252个系统欧洲部署了112个系统亚洲部署了119个系统（其中在中国的有66个系统）整体来看，美国仍然领导着世界HPC（高性能计算）的最新潮流。10/8/202327在本届500强榜单中10/8/2023271.1.2计算机软件的发展1.汇编语言阶段（20世纪50年代）2.程序批处理阶段（20世纪60年代）3.分时多用户阶段（20世纪70年代）4.分布式管理阶段（20世纪80年代）5.软件重用阶段（20世纪90年代）6.Web服务阶段（21世纪初期）

10/8/2023281.1.2计算机软件的发展1.汇编语言阶段（21.2计算机硬件系统—个完整的计算机系统由硬件和软件两大系统组成。计算机系统硬件系统组成一台计算机的各种物理装置以及它们的设计与实现技术软件系统泛指计算机系统中使用的各种程序和文件10/8/2023291.2计算机硬件系统—个完整的计算机系统由硬件和软件两大1.2.1计算机硬件系统的功能部件

计算机的基本功能主要包括:数据加工、数据保存、数据传送和操作控制等。为了实现这些基本功能，计算机必须要有相应的功能部件（硬件）承担有关工作。10/8/2023301.2.1计算机硬件系统的功能部件

计算机的基本功能主要10/8/20233110/8/202331计算机硬件系统主要包括计算机的五大部件以及将它们组织成计算机系统的体系结构。10/8/20233210/8/2023321.输入设备输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。常见的输入设备有：键盘、扫描仪、语音输入设备、手写笔、触摸屏、鼠标、数码摄像设备等。10/8/2023331.输入设备输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别2.输出设备输出设备的主要功能：将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。最常见的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、音箱等。计算机的输入、输出设备简称为I/O设备。10/8/2023342.输出设备输出设备的主要功能：10/8/202334存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信息的核心。存储器可分为：

主存储器(也称内存储器，简称内存、主存)

CPU能够直接访问的存储器

辅助存储器(也称外存储器，简称外存、辅存)

CPU不能直接访问的大容量、速度较慢的存储器。辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。

3.存储器10/8/202335存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯一的地址编码。每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字节或字节的若干倍。存储器的访问方式⑴按地址进行访问如果需要对存储器某个单元进行读/写操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址码。⑵按内容进行访问按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。能够进行按内容访问的存储器称为相联存储器。10/8/202336主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯一的地址编码。10主存的基本的组成10/8/202337主存的基本的组成10/8/202337存储体：存放二进制信息的主体地址寄存器：存放所要访问的存储单元的地址码，由它经地址译码找到被选的存储单元。数据寄存器：主存与其它部件的接口。用于暂存从存储器读出(取出)或向存储器中写入(存入)的信息。控制逻辑：用于产生存储器操作所需各种时序信号。10/8/202338存储体：存放二进制信息的主体10/8/202338运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。运算器的核心是算术逻辑部件ALU(ArithmeticandLogicalUnit)。运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通用寄存器。4．运算器10/8/202339运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加运算器的简单框图10/8/202340运算器的简单框图10/8/202340控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。这种工作方式称为存储程序方式。5．控制器(CU)重点10/8/202341控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部1.2.2冯·诺依曼计算机

存储程序概念是美国数学家冯·诺依曼（JohnvonNeumann）于1946年首先提出来的，它奠定了现代计算机的结构基础。尽管几十年来，计算机体系结构发生许多重大变革，但存储程序的概念仍是普遍采用的结构原则，现在广泛应用的计算机仍属于冯·诺依曼的结构格式。10/8/2023421.2.2冯·诺依曼计算机存储程序概念是美国数学家冯·JohnvonNeumann10/8/202343JohnvonNeumann10/8/202343冯·诺依曼思想的基本要点：(1)采用二进制形式表示数据和指令指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合。冯·诺依曼结构计算机中，指令与数据均以二进制代码的形式同存于存储器中。两者在存储器中的地位相同，均可按地址访问。

指令由操作码和地址码两部分组成。操作码表示指令的操作性质，地址码表示操作数在存储器中的位置。1.存储程序思想

10/8/202344冯·诺依曼思想的基本要点：1.存储程序思想10/8/20(2)采用存储程序方式存储程序方式：在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程(运行程序)中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。存储程序方式是冯·诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。10/8/202345(2)采用存储程序方式10/8/202345(3)计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。

CPU：运算器和控制器的统称。计算机主机：CPU与主存储器(内存)的统称。I/O设备：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计算机的外部设备，简称为I/O设备。10/8/202346(3)计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大2.早期的冯·诺依曼计算机

在微处理器问世之前，运算器和控制器是两个分离的功能部件，加上当时存储器还是以磁芯存储器为主，计算机存储的信息量较少，因此早期冯·诺依曼提出的计算机结构是以运算器为中心的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。

10/8/2023472.早期的冯·诺依曼计算机在微处理器问世之前，运算器和控早期的冯·诺依曼计算机组织结构图

10/8/202348早期的冯·诺依曼计算机组织结构图10/8/2023483.现代计算机组织结构

随着微电子技术的进步，人们成功地研制出了微处理器。微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里。同时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。为适应发展的需要，现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心。

10/8/2023493.现代计算机组织结构随着微电子技术的进步，人们成功地研10/8/20235010/8/202350现代计算机的基本结构仍然遵循冯·诺依曼思想10/8/202351现代计算机的基本结构仍然遵循冯·诺依曼思想10/8/20231.3计算机软件系统

软件的作用⑴软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。⑵软件是计算机用户和硬件的接口界面。⑶软件是计算机系统结构设计的主要依据。

在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本的软件系统应包括系统软件与应用软件两大类。10/8/2023521.3计算机软件系统软件的作用10/8/2023521.3.1系统软件

系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要包括：操作系统语言处理系统数据库管理系统分布式软件系统

网络软件系统

各种服务程序10/8/2023531.3.1系统软件系统软件是一组保证计算机系统高效、正1.3.2应用软件

应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。10/8/2023541.3.2应用软件应用软件是指用户为解决某个应用领域中1.4计算机系统的组织结构

1.4.1硬件与软件的关系

计算机系统由硬件、软件两大部分组成。硬件和软件是紧密相关、缺一不可的整体。硬件是计算机系统的物质基础。没有硬件，再好的软件也无法运行；没有强有力的硬件支持，就不可能编制出高质量、高效率的软件；没有好的硬件环境，一些先进的软件也无法运行。软件是计算机系统的灵魂。没有软件，再好的硬件也毫无用途；没有高质量的软件，硬件也不可能充分发挥它的效率。10/8/2023551.4计算机系统的组织结构1.4.1硬件与软件的关虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、软件是紧密相关、缺一不可的，但是对某一具体功能来说，可以用硬件实现，也可以用软件实现，这就是硬件、软件在逻辑功能上的等效。硬件、软件在逻辑功能上等效10/8/202356虽然在一个具体的计算机系统中，硬件、软件是紧密相关、缺一不可硬件、软件在逻辑功能上的等效任何由硬件实现的操作，在原理上，均可用软件来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可硬化由硬件来实现。例：乘除运算早期均由软件编程实现。现已由硬件乘、除法器实现。例：在微小型机中，为了降低系统复杂程度和成本，将一些在巨型、大型机中由硬件实现的功能由软件编程实现。10/8/202357硬件、软件在逻辑功能上的等效任何由硬件实现的操作，在原理上，硬件的软化：将由硬件实现的功能用软件实现。软件的硬化：将由软件实现的功能用硬件实现。固件：载有在用户环境中不能加以改变的程序及数据的器件。将复杂且常用的程序写入只读存储器就构成了固件。固件从功能上看是软件，但从形态上看是硬件。例如，PC机中的主板BIOS、显卡BIOS，网卡BOOTROM等都属于固件。10/8/202358硬件的软化：10/8/202358硬件软件的功能分配在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、现实技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能通过软件实现。这就是硬件、软件的功能分配。随着电子技术的发展，可以使软件逐渐“固化”乃至“硬化”。所以设计计算机系统时必须首先解决硬、软件的功能分配问题。10/8/202359硬件软件的功能分配在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、1.4.2计算机系统的多级层次结构

现代的计算机是一个硬件与软件组成的综合体。由于面对的应用范围越来越广，所以必须有复杂的系统软件和硬件的支持。由于软件、硬件的设计者和使用者是从不同的角度，以各种不同的语言来对待同一个计算机系统。因此，他们各自看到的计算机系统的属性及对计算机系统提出的要求也就不一样。如硬件设计人员要求机器能够高速有效地执行机器指令所规定的各种操作。而高级语言使用者则关心机器能否提供高效方便的编程环境。10/8/2023601.4.2计算机系统的多级层次结构现代的计算机是一个硬对不同的对象而言，一个计算机系统就成为实现不同语言的、具有不同属性的机器。假如在软件、硬件之间，系统设计者和使用者之间不能很好地协调、配合，就会大大影响系统的性能与效率。10/8/202361对不同的对象而言，一个计算机系统就成为实现不同语言的、具有不计算机系统的多级层次结构根据从各种角度所看到的机器之间的有机关系，可以将计算机系统分为多级层次结构。目的：分清各级层次结构彼此之间的界面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。10/8/202362计算机系统的多级层次结构根据从各种角度所看到的机器之间的有机10/8/20236310/8/202363第0级硬件操作时序实际的硬件层，是硬件组成的实体。第1级微程序机器层

实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。第2级传统机器语言层

实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。第3级操作系统层

由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令。这一层也称为混合层。10/8/202364第0级硬件操作时序10/8/202364第4级汇编语言层

汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。第5级高级语言层

高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持和执行。第6级应用语言层

应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应用软件包支持和执行。

10/8/202365第4级汇编语言层

汇编语言是一种符号形式语言，用户借高级语言程序

C＝A＋B汇编语言程序

MOVAL，A

ADDAL，B

MOVC，AL机器语言程序

1000H000000011001H000000101002H000000000000H101000000001H000000000002H000100000003H000000100004H000000010005H000100000006H100010000007H000001100008H000000100009H0001000010/8/202366高级语言程序

C＝A＋B机器语言程序

1000H000000在多级层次结构中，第0、1、2级是实机器，上面几层均为虚机器（虚拟机）。虚机器：是指用软件技术构成的机器。虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术扩充实机器的功能。从整体看就好像有了一台更强功能的机器，所以称它为虚机器。机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界面。软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器的界面。10/8/202367在多级层次结构中，第0、1、2级是实机器，上面几层均为虚机器利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。同样还可以明确在虚机器中各层次应完成的功能，上级应得到下级的哪些支持。多级层次结构观点，对于了解掌握计算机的组成，设计一个良好的计算机系统结构有很大的帮助。10/8/202368利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由1.4.3计算机硬件系统的组织

如何把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，是计算机硬件系统的组织问题。在计算机的五大部件之间，有大量的信息需要传送，如何实现信息的传送，取决于数据通路的逻辑结构。早期的计算机往往在各部件之间直接连接传送线路，数据通路复杂、零乱，控制不便，而且没有多少扩展余地。10/8/2023691.4.3计算机硬件系统的组织如何把五大基本部件互连起总线结构现在的计算机普遍采用总线结构。1.总线：一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。总线规定了计算机组件间规范化的交换数据（data）的方式，以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。10/8/202370总线结构现在的计算机普遍采用总线结构。10/8/2023702.

总线的使用规定⑴共享总线的各个部件必须分时使用总线发送信息，保证总线上的信息在任何时候都是唯一的。

⑵总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲突，且总线上的各部件可以共享总线信息。10/8/2023712.总线的使用规定⑴共享总线的各个部件必须分时使用总线发按总线的任务分(1)CPU内部总线这是一级数据线，用于连接CPU内部各寄存器和算术逻辑部件。在微型计算机系统中，CPU内部总线也就是芯片内的总线。(2)部件内总线在计算机中各功能模块插件上芯片之间的总线。属于芯片间的总线。如内存条、声卡等插件上的总线。3.总线的分类10/8/202372按总线的任务分3.总线的分类10/8/202372(3)系统总线连接系统内各大部件如CPU、主存、I/O设备等的总线，是连接整机系统的基础。系统总线包括地址总线、数据总线、控制/状态总线。(4)外总线计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信总线。外总线往往借用电子工业领域已有的标准。如RS－232串行总线标准。10/8/202373(3)系统总线10/8/202373按总线上信息传送的方向分(1)单向总线

连接在总线上的部件只能有选择地将信息进行单向传送。如地址总线。(2)双向总线

连接在总线上的任何部件既能通过总线发送信息，也能通过总线接受信息。如数据总线。10/8/202374按总线上信息传送的方向分10/8/202374按总线上信息传送的位数分(1)并行总线

一次可以传送多位二进制信息的总线。如CPU内部的数据总线、地址总线。(2)串行总线

一次只能传送一位二进制信息的总线。如USB总线、10/8/202375按总线上信息传送的位数分10/8/202375采用总线结构的好处可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部件的负载。

可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。10/8/202376采用总线结构的好处可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送4.总线的连接方式单机系统中采用的总线类型(1)单总线结构用一组系统总线把CPU、主存及各种I/O接口连接起来。10/8/2023774.总线的连接方式单机系统中采用的总线类型10/8/20总线上各设备之间（CPU与MEM、MEM与I/O、CPU与I/O、I/O与I/O）都通过单总线交换信息。可将I/O与存储器同等对待，统一进行编址。控制简单，易于扩充。单总线结构的优点10/8/202378总线上各设备之间（CPU与MEM、MEM与I/O、CPU与I单总线结构的缺点同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送信息，因此系统速度受到限制。把主存与I/O设备同等对待，降低了主存的地位。因为主存与CPU间的信息传送要比CPU与I/O设备间的信息传送频繁很多。10/8/202379单总线结构的缺点同一时刻只能在一对设备之间或部件之间传送信息(2)双总线结构①以CPU为中心的双总线结构采用以CPU为中心的存储器总线和I/O总线，分别进行数据传送。以CPU为中心的双总线，结构简单，控制容易。但由于I/O设备与主存间的信息传送都必须通过CPU进行，使CPU要花费大量时间进行信息的输入输出处理，从而降低了CPU的工作效率。所以只在早期的机器中使用。10/8/202380(2)双总线结构10/8/202380以CPU为中心的双总线结构10/8/202381以CPU为中心的双总线结构10/8/202381②面向主存的双总线结构在单总线的基础上，在CPU与主存之间增加了一组存储器总线，CPU访存直接通过存储器总线实现，面向主存的双总线结构保持了单总线结构的优点，同时由于通过存储器总线访存，提高了CPU的访存速度，也减轻了系统总线的负担。10/8/202382②面向主存的双总线结构10/8/202382面向存储器的双总线结构10/8/202383面向存储器的双总线结构10/8/202383(3)三总线结构在面向主存的双总线结构的基础上，增加I/O总线，使得CPU与主存、主存与I/O之间均具备独立的信息传输通路。10/8/202384(3)三总线结构10/8/202384常见的三总线结构10/8/202385常见的三总线结构10/8/202385多总线结构10/8/202386多总线结构10/8/202386总线结构主要用于微、小型计算机中。对于中型、大型计算机系统的构成，主要着重于系统功能的扩充和效率的提高。为了增强系统功能，必然要配置更多的硬件资源和软件资源。

由于I/O设备的增多使I/O处理成为又一个十分突出的问题。许多I/O设备由于具有机械动作，其工作速度远比CPU的速度低，因此，如何解决速度匹配问题，使CPU与I/O操作尽可能并行地工作以提高CPU的工作效率，成为系统结构中的一个关键问题，为此提出了“通道”的概念。10/8/202387总线结构主要用于微、小型计算机中。对于中型、大型计算机系统的5.通道通道是一种具有处理机功能的专门用来管理I/O操作的控制部件。具有通道的计算机系统通常采用主机、通道、I/O设备控制器、I/O设备四级连接方式。通道结构具有较大的变化和扩展余地，对较小的系统，可将设备控制器与I/O设备合并在一起，将通道与CPU合并在一起。对较大的系统，则可单独设置通道。对更大的系统，可将通道发展为专门的I/O处理机，甚至更强功能的前端机。10/8/2023885.通道通道是一种具有处理机功能的专门用来管理I/O操作的10/8/20238910/8/2023891.5计算机的特点和性能指标1.5.1计算机的工作特点1.能自动连续地工作由于计算机采用存储程序工作方式，一旦输入了编制好的程序，启动计算机后，它就能按程序自动地执行下去，直到完成预定的任务为止。除非工作本身要求采用人机对话方式，一般在运算处理过程中不需要人的直接干预。能自动连续地工作是数字计算机的一个突出特点。10/8/2023901.5计算机的特点和性能指标1.5.1计算机的工作特2.运算速度快由于计算机采用高速的电子器件组成硬件，能以极高的速度工作。现在普通的微机每秒可执行数十万甚至上亿次加减运算，而巨型机每秒可完成数亿、数十亿甚至数万亿次基本运算。随着计算机体系结构的发展，更新的技术和更高速器件的诞生，计算机将达到更高的速度。10/8/2023912.运算速度快10/8/2023913.运算精度高由于计算机采用二进制数字表示数据，因此它的精度主要取决于表示数据的二进制位数，位数越多，精度越高。所以在计算机中不仅有单字长运算，为了获得更高的精度，还可以进行双倍字长、多倍字长的运算。10/8/2023923.运算精度高10/8/2023924.具有很强的存储能力和逻辑判断能力计算机的存储器具有存储大量信息的功能，这是数字计算机的又一主要特点。计算机的许多功能和特点也是由此派生的。由于存储程序，所以能自动连续地工作。存储容量大，可存储的信息多，计算机功能就越强，使许多信息处理得以实现。

10/8/2023934.具有很强的存储能力和逻辑判断能力10/8/2023935.通用性强由于计算机具有上面一些特点，使计算机的使用具有很大的灵活性和通用性，能应用于各个科学技术领域，并渗透到社会生活的各个方面。10/8/2023945.通用性强10/8/2023941.5.2计算机的性能指标1.基本字长基本字长是指参与运算的数的基本位数。字长通常是硬件组织的基本单位，它决定着寄存器、ALU、数据总线的位数，因而直接影响着系统的硬件成本。字长标志着计算机系统的运算精度。10/8/2023951.5.2计算机的性能指标1.基本字长10/8/202例：要保证i位十进制数的精度，至少要采用3.3倍i位二进制数的位数，否则精度难以满足要求。

证：当i位十进制数与j位二进制数比较时，如果要求10i＝2j则必须满足：为了适应不同应用需要，兼顾精度和硬件成本，许多计算机都允许变字长运算，例如双字长运算。常用的字长单位是字节（8位二进制数位）。字长单位通常是字节的倍数。10/8/202396例：要保证i位十进制数的精度，至少要采用3.3倍i位2.主存容量主存储器所能存储的最大信息量称为主存容量。CPU需要执行的程序和要处理的数据都存放在主存中。主存容量大，就可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机的处理能力在很大程度上取决于主存容量的大小。10/8/2023972.主存容量主存储器所能存储的最大信息量称为主存容量。10通常以字节数表示主存容量，如4MB，表示可存储4M(1M＝1024K)个字节。在以字为单位的计算机中常用字数乘以字长表示主存容量，如512K×32位。1K＝210＝10241M＝220＝210K

＝1048576（兆）1G＝230＝210M＝220K

＝1073741824（吉）1T＝240＝210G

＝220M＝230K

＝1099511627776（太）1P＝250＝1125899906842624（皮）10/8/202398通常以字节数表示主存容量，如4MB，表示可存储4M(1M＝1海量存储1E＝260＝1152921504606846976（万亿兆）1Z＝2701Y＝2801N＝290

1D＝210010/8/202399海量存储1E＝260＝11529215046068469761KB：相当于一则短篇故事的内容。1MB：相当于一则短篇小说的文字内容。1GB：相当于贝多芬第五乐章交响曲的乐谱内容。1TB：相当于一家大型医院中所有的X光图片资讯量。1PB：相当于50%的全美学术研究图书馆藏书资讯内容。1EB：5EB相当于至今全世界人类所讲过的话语。1ZB：如同全世界海滩上的沙子数量总和。10/8/20231001KB：相当于一则短篇故事的内容。10/8/20231假设1TB的数据容量是一个硬盘的体积，那么那么1PB就是一栋楼的体积，而1YB就是将美国的两个州放满数据中心。

10/8/2023101假设1TB的数据容量是一个硬盘的体积，那么那么1PB就由于计算机执行不同的操作所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。①以加法指令的执行时间为标准来计算。

例如DJSl30机一次加法时间为2μs，所以运算速度为50万次/s。②根据不同指令在程序中出现的频度，乘上不同的系数，求得系统平均值，得到平均运算速度。③具体指明每条指令的执行时间。3.运算速度10/8/2023102由于计算机执行不同的操作所需时间可能不同，因而对运算速度的描大、中型机常使用每秒平均执行的指令条数(IPS)作为运算速度单位。如：MIPS(每秒百万条指令)

MFLOPS(每秒百万次浮点运算)。10/8/2023103大、中型机常使用每秒平均执行的指令条数(IPS)作为运算速度随着计算机性能的提高，运算速度的单位也随之增高。MFLOPS(megaFLOPS)：

每秒百万(106)次的浮点运算

GFLOPS(gigaFLOPS)：

每秒10亿(109)次的浮点运算

TFLOPS(teraFLOPS)：

每秒万亿(1012)次的浮点运算

PFLOPS(petaFLOPS)：

每秒千万亿(1015)次的浮点运算

10/8/2023104随着计算机性能的提高，运算速度的单位也随之增高。10/8/2速度单位10n中文读法英文符号1024尧[它]yottaY1021泽[它]zettaZ1018艾[可萨]exaE1015拍[它]petaP1012太[拉]teraT109吉[咖]gigaG106兆megaM103千kilok102百hectoh101十decada10/8/2023105速度单位10n中文读法英文符号1024尧[它]yottaY1微型机常用主时钟频率反映速度的快慢。如以Intel系列的CPU为核心的微机系统的时钟频率就从4.77MHz直到目前的3.5GHz。10/8/2023106微型机常用主时钟频率反映速度的快慢。10/8/2023106InterCPUCorei7-990X制作工艺：32纳米技术主频：3.46GHz核心数量：6核线程数：12线程一级缓存：2×6×32KB二级缓存：6×256KB三级缓存：12MB10/8/2023107InterCPUCorei7-990X制作工艺：3酷睿i7-990X采用32nm制程工艺，Westmere架构设计，六核心，支持超线程技术，最多可实现十二个线程。处理器默认主频3.46GHz，外频133MHz，倍频26X，支持睿频加速技术，在睿频的情况下主频最高可提升至3.73GHz。六颗核心共享12MB高速缓存，支持三通道DDR3内存，采用不锁倍频设计。

10/8/2023108酷睿i7-990X采用32nm制程工艺，Westmere架构CPU的主频就是CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。

CPU的主频与运算速度10/8/2023109CPU的主频就是CPU内核工作的时钟频率（CPUClock目前还没有一个确定的公式能够定量主频和实际的运算速度两者的数值关系。因为CPU的运算速度不仅取决于主频，而且还与要看CPU的系统结构（架构）有关。如流水线的性能指标、缓存、指令集，CPU的位数等等。计算机系统的速度需要将主频和架构综合起来考虑。10/8/2023110目前还没有一个确定的公式能够定量主频和实际的运算速度两者的数例：设主频相当于百米选手的步频，架构相当于步幅。可以看到：1．步幅一样大(架构相同)，步频快的选手跑得快。2．步频一样快，步幅大(架构先进)的选手跑得快。3．步频快，步幅大，选手成为世界